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Dipole Moments Regulation of Biphosphonic Acid Molecules for Self-assembled Monolayers Boosts the Efficiency of Organic Solar Cells Exceeding 19.7%

化学 偶极子 单层 氧化铟锡 分子 吸附 有机分子 有机太阳能电池 力矩(物理) 图层(电子) 化学物理 纳米技术 有机化学 物理化学 生物化学 材料科学 聚合物 物理 经典力学
作者
Hang Liu,Yufei Xin,Zhaochen Suo,Yang Liu,Yu Zou,Xiangjian Cao,Ziyang Hu,Bin Kan,Xiangjian Wan,Yongsheng Liu,Yongsheng Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (20): 14287-14296 被引量:158
标识
DOI:10.1021/jacs.4c03917
摘要

PEDOT:PSS has been widely used as a hole extraction layer (HEL) in organic solar cells (OSCs). However, their acidic nature can potentially corrode the indium tin oxide (ITO) electrode over time, leading to adverse effects on the longevity of the OSCs. Herein, we have developed a class of biphosphonic acid molecules with tunable dipole moments for self-assembled monolayers (SAMs), namely, 3-BPIC(i), 3-BPIC, and 3-BPIC-F, which exhibit an increasing dipole moment in sequence. Compared to centrosymmetric 3-BPIC(i), the axisymmetric 3-BPIC and 3-BPIC-F exhibit higher adsorption energies (Eads) with ITO, shorter interface spacing, more uniform coverage on ITO surface, and better interfacial compatibility with the active layer. Thanks to the incorporation of fluorine atoms, 3-BPIC-F exhibits a deeper highest occupied molecular orbital (HOMO) energy level and a larger dipole moment compared to 3-BPIC, resulting in an enlarged work function (WF) for the ITO/3-BPIC-F substrate. These advantages of 3-BPIC-F could not only improve hole extraction within the device but also lower the interfacial impedance and reduce nonradiative recombination at the interface. As a result, the OSCs using SAM based on 3-BPIC-F obtained a record high efficiency of 19.71%, which is higher than that achieved from the cells based on 3-BPIC(i) (13.54%) and 3-BPIC (19.34%). Importantly, 3-BPIC-F-based OSCs exhibit significantly enhanced stability compared to that utilizing PEDOT:PSS as HEL. Our work offers guidance for the future design of functional molecules for SAMs to realize even higher performance in organic solar cells.
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